A eficiência de computadores quânticos, sensores e outras aplicações muitas vezes depende das propriedades dos elétrons, incluindo como eles estão girando. Um dos sistemas mais precisos para altas performances em aplicações quânticas se baseia na exploração das propriedades de spin dos elétrons de átomos aprisionados em um gás, mas esses sistemas são difíceis de escalar para uso em dispositivos quânticos maiores, como computadores quânticos. Agora, uma equipe de pesquisadores da Penn State e da Colorado State demonstrou como um cluster de ouro pode simular esses átomos gaseificantes aprisionados, permitindo que os cientistas aproveitem essas propriedades de spin em um sistema facilmente escalável.
“Pela primeira vez, mostramos que nanoclusters de ouro possuem as mesmas propriedades de spin fundamentais que os métodos atuais de ponta para sistemas de informação quântica”, disse Ken Knappenberger, chefe do departamento e professor de química no Eberly College of Science da Penn State e líder da equipe de pesquisa. “Empolgantemente, também podemos manipular uma propriedade importante chamada polarização de spin nesses clusters, que normalmente é fixa em um material. Esses clusters podem ser facilmente sintetizados em quantidades relativamente grandes, tornando este trabalho uma prova de conceito promissora de que os clusters de ouro poderiam ser usados para apoiar uma variedade de aplicações quânticas.”
Dois artigos descrevendo os clusters de ouro e confirmando suas propriedades de spin foram publicados no ACS Central Science e The Journal of Physical Chemistry Letters.
“O spin de um elétron não apenas influencia reações químicas importantes, mas também aplicações quânticas como computação e sensoriamento”, disse Nate Smith, estudante de pós-graduação em química no Eberly College of Science da Penn State e primeiro autor de um dos artigos. “A direção em que um elétron gira e seu alinhamento em relação a outros elétrons no sistema podem impactar diretamente a precisão e a longevidade dos sistemas de informação quântica.”
Assim como a Terra gira em torno de seu eixo, que está inclinado em relação ao sol, um elétron pode girar em torno de seu eixo, que pode estar inclinado em relação ao seu núcleo. Mas, ao contrário da Terra, um elétron pode girar no sentido horário ou anti-horário. Quando muitos elétrons em um material estão girando na mesma direção e seus giros estão alinhados, os elétrons são considerados correlacionados, e o material é dito ter um alto grau de polarização de spin.
“Materiais com elétrons altamente correlacionados, com um alto grau de polarização de spin, podem manter essa correlação por um período de tempo muito mais longo e, portanto, permanecem precisos por muito mais tempo”, disse Smith.
O sistema atual de ponta para alta precisão e baixo erro em sistemas de informação quântica envolve íons atômicos aprisionados — átomos com carga elétrica — em estado gasoso. Este sistema permite que os elétrons sejam excitados a diferentes níveis de energia, chamados estados de Rydberg, que possuem polarizações de spin muito específicas que podem durar por longos períodos. Ele também permite a superposição de elétrons, com elétrons existindo em múltiplos estados simultaneamente até serem medidos, o que é uma propriedade chave para sistemas quânticos.
“Esses íons gasosos aprisionados são, por natureza, diluídos, o que os torna muito difíceis de escalar”, disse Knappenberger. “A fase condensada necessária para um material sólido, por definição, agrupa átomos, perdendo essa natureza diluída. Portanto, escalar fornece todos os ingredientes eletrônicos corretos, mas esses sistemas se tornam muito sensíveis à interferência do ambiente. O ambiente basicamente embaralha todas as informações que você codificou no sistema, aumentando substancialmente a taxa de erro. Neste estudo, descobrimos que os clusters de ouro podem imitar todas as melhores propriedades dos íons gasosos aprisionados com o benefício da escalabilidade.”
Cientistas têm estudado intensamente nanostruturas de ouro por seu potencial uso em tecnologia óptica, sensoriamento, terapias e para acelerar reações químicas, mas se sabe menos sobre suas propriedades magnéticas e dependentes de spin. Nos estudos atuais, os pesquisadores exploraram especificamente clusters protegidos por monocamadas, que possuem um núcleo de ouro e são cercados por outras moléculas chamadas ligantes. Os pesquisadores podem controlar de forma precisa a construção desses clusters e podem sintetizar quantidades relativamente grandes ao mesmo tempo.
“Esses clusters são chamados de superátomos, porque seu caráter eletrônico é semelhante ao de um átomo, e agora sabemos que suas propriedades de spin também são semelhantes”, disse Smith. “Identificamos 19 estados de polarização de spin diferenciáveis e únicos, semelhantes aos de Rydberg, que imitam as superposições que poderíamos fazer nos íons diluídos em fase gasosa aprisionados. Isso significa que os clusters têm as propriedades chave necessárias para realizar operações baseadas em spin.”
A equipe de pesquisadores determinou a polarização de spin dos clusters de ouro usando um método semelhante ao usado com átomos tradicionais. Enquanto um tipo de cluster de ouro apresentava 7% de polarização de spin, um cluster com um ligante diferente alcançou 40% de polarização de spin, que Knappenberger afirmou ser competitivo com alguns dos materiais quânticos bidimensionais de ponta.
“Isso nos diz que as propriedades de spin do elétron estão intimamente relacionadas às vibrações dos ligantes”, disse Knappenberger. “Tradicionalmente, materiais quânticos têm um valor fixo de polarização de spin que não pode ser significativamente alterado, mas nossos resultados sugerem que podemos modificar o ligante desses clusters de ouro para ajustar amplamente essa propriedade.”
A equipe de pesquisa planeja explorar como diferentes estruturas dentro dos ligantes impactam a polarização de spin e como elas podem ser manipuladas para ajustar as propriedades de spin.
“O campo quântico é geralmente dominado por pesquisadores em física e ciência de materiais, e aqui vemos a oportunidade para os químicos usarem nossas habilidades de síntese para projetar materiais com resultados ajustáveis”, disse Knappenberger. “Esta é uma nova fronteira na ciência da informação quântica.”
Além de Smith e Knappenberger, a equipe de pesquisa inclui Juniper Foxley, estudante de pós-graduação em química na Penn State; Patrick Herbert, que obteve o doutorado em química na Penn State em 2019; Jane Knappenberger, pesquisadora no Eberly College of Science da Penn State; além de Marcus Tofanelli e Christopher Ackerson na Colorado State.
O financiamento da pesquisa foi apoiado pelo Air Force Office of Scientific Research e pela U.S. National Science Foundation.
